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    近年來，隨著交通量的增加，大量水泥砼路面面臨著不同程度的修復(fù)，而水泥砼路面的修復(fù)需面對以下難題：1)水泥砼路面剛度和穩(wěn)定性較好，其修復(fù)是一項相當(dāng)困難的工程；2）水泥砼路面的修補(bǔ)工藝復(fù)雜、耗費(fèi)巨大，而且在修復(fù)中經(jīng)常要封閉公路，損害經(jīng)濟(jì)利益；3）水泥砼路面上如果直接加鋪瀝青砼層，在很大程度上會再次產(chǎn)生反射裂縫，加速路面的破壞，以至于公路的整體壽命縮短；4)水泥砼路面損害的發(fā)生時常是無預(yù)兆的。基于以上原因，中國開始引進(jìn)國際上通常采用的碎石化技術(shù)進(jìn)行路面修復(fù)，大量的實驗證明碎石化技術(shù)能很好地消除反射裂縫，延長路面的壽命。
1、碎石化技術(shù)原理
    碎石化技術(shù)原理由兩方面組成：一是路面的破碎機(jī)理；另一方面是路面強(qiáng)度的形成。
    (1)水泥砼路面的彈性模量隨破碎后碎塊尺寸的縮小而變小，即隨結(jié)構(gòu)破壞程度的增大而減小；但通過對水泥砼路面進(jìn)行均勻破碎、壓實，在損失一部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性的情況下，可把水泥砼路面在溫度、濕度變化和荷載作用下的差動位移降低到最低程度，從而徹底消除反射裂縫在路面罩面層出現(xiàn)的可能性。但將水泥砼面層打碎后，其強(qiáng)度會隨著打碎后粒徑變小而大幅下降。研究表明，當(dāng)水泥砼路面破碎到3—40 cm時(粒徑，表面層不大于7.5cm，中間層不大于22.5 cm，底層不大于37.5 cm)，既可以有效緩解反射裂縫的出現(xiàn)，又能保證路基強(qiáng)度達(dá)到要求。
    (2)路面強(qiáng)度的形成，路面經(jīng)過碎石化處理后形成3層：表面細(xì)粒散層、碎石化層上部和碎石化層下部。表層經(jīng)過壓實后，顆粒被壓密，嵌擠形成薄層，再通過灑布透層油（或石屑嵌縫料），路面就會形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的表層結(jié)構(gòu)。碎石化層上部強(qiáng)度主要來源于內(nèi)摩擦角和預(yù)壓應(yīng)力，其中粒徑越大，內(nèi)摩擦角越大；而預(yù)壓應(yīng)力來自板塊被破碎時砼所產(chǎn)生的側(cè)向體積膨脹，鹼顆粒的粒徑越小，膨脹趨勢越大，產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力也越大。碎石化層下部的強(qiáng)度主要來源于“聯(lián)鎖咬合”作用。實踐證明，當(dāng)碎石化層下部能達(dá)到“裂而不碎、契合良好、聯(lián)鎖咬合”的塊體結(jié)構(gòu)時，具有最好的拱效應(yīng)，能將豎向壓力變?yōu)樗�平推力，借以擴(kuò)散荷載；同時沒有豎向的貫穿裂紋（具有350N406的斜向裂紋），具有較好的嚙合度及更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而形成具有一定強(qiáng)度的路面。
2、多錘頭破碎機(jī)的工作裝置研究
    多錘頭破碎機(jī)(MHB，Multiple Head Breaker)如圖l所示，由動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、底盤、破碎工作裝置等組成。
    多錘頭破碎機(jī)是輪胎自行式設(shè)備，對舊水泥砼路面破碎的效率是較高的，每臺班約為2km×車道。MHB機(jī)破碎的舊水泥砼粒徑大小通過控制落錘的高度調(diào)節(jié)，一般可控制在7.5～40 cm，呈上細(xì)下粗形態(tài)。能滿足不同類型砼路面的破碎，具備一次破碎3.96 m寬的能力，還裝備有帷幕防止破碎顆粒外飛，在開放交通的情況下可以半幅施工。在施工安排緊密的情況下，破碎、碾壓、加鋪可以一次完成，最大限度地減少交通管制時間。
2.1多錘頭破碎機(jī)工作裝置的設(shè)計構(gòu)思
    多錘頭破碎機(jī)的工作裝置由工作錘頭架、工作油缸、錘頭等組成。而錘頭分為兩種形式：粗短形和細(xì)長形，無論采用哪種錘頭形式，工作錘頭架都需要穩(wěn)固、簡單，盡量使錘頭架各支撐桿的連接形成一個穩(wěn)固的整體。而工作油缸和錘頭設(shè)置在工作錘頭架內(nèi)，這樣工作油缸就能帶動錘頭在工作錘頭架內(nèi)有限制地做上下往復(fù)運(yùn)動，達(dá)到最大的破碎力。下面的設(shè)計中采用粗短形的錘頭。
2.2多錘頭破碎機(jī)工作裝置的設(shè)計
    工作錘頭架包括水平設(shè)置的主支撐、橫支撐及豎向設(shè)置的豎支撐，主支撐、橫支撐、豎支撐之間固定連接，這樣整個錘架形成一個穩(wěn)固的整體。主支撐上設(shè)有起固定工作油缸作用的固定板和對錘頭升降起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌，錘頭的錘身上設(shè)有與導(dǎo)向?qū)к壪鄬��?yīng)的凹槽。重錘分2排成對裝配在整臺機(jī)械的尾部，前后排錘頭錯開布置，這樣可以在全寬范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)破碎；前后每對重錘有一套單獨的液壓提升系統(tǒng)為其提供動力，這樣重錘的提升高度可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)，在破碎1日水泥砼路面時，重錘按一定規(guī)律下落，通過把動能轉(zhuǎn)換成沖擊能對路面進(jìn)行破碎。
    工作油缸兩側(cè)的主支撐上分別設(shè)有對錘頭升降起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌。工作油缸帶動2個錘頭升降。錘架包括多個主支撐、橫支撐和豎支撐。錘架內(nèi)設(shè)有多個工作油缸，每個工作油缸帶動2個錘頭升降。主支撐包括3個上主支撐、3個中主支撐、3個下主支撐，它們之間固定連接有多個橫支撐和豎支撐，主支撐、橫支撐和豎支撐形成的錘架內(nèi)共設(shè)有6個工作油缸。錘架包括前排錘架和后排錘架，前、后排錘架內(nèi)分別設(shè)有3個工作油缸。錘架板塊設(shè)置在錘架兩側(cè)的2個翼錘架上，翼錘架和錘架之間為可拆卸式連接。翼錘架包括翼錘主支撐、翼錘橫支撐和翼錘豎支撐，每個翼錘架內(nèi)斜向固定設(shè)置一個工作油缸，工作油缸兩側(cè)分別設(shè)有對錘頭升降起導(dǎo)向作用的翼錘導(dǎo)軌，工作油缸帶動2個翼錘升降。油缸固定板包括固定平板和固定豎板。
    多錘頭破碎機(jī)破碎裝置的錘架包括水平設(shè)置的主支撐、橫支撐及豎向設(shè)置的豎支撐，它們之間固定連接后形成整個破碎裝置的支撐系統(tǒng)，工作油缸和錘頭設(shè)置在錘架內(nèi)，多個主支撐、橫支撐和豎支撐組合形成的錘架具體包括多個工作油缸和錘頭的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以同時使用多個工作油缸和錘頭，對路面進(jìn)行破碎作業(yè)時力量更大。在控制閥塊的作用下，多個錘頭可以保持不同步連續(xù)不斷地升降，破碎的效果比一個錘頭或少量錘頭更好；支撐的錘架結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，保證破碎作業(yè)的有效完成。主支撐上設(shè)有固定工作油缸的油缸固定板，可以進(jìn)行較好的固定。主支撐設(shè)有對錘頭升降起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌，錘頭的錘身上設(shè)有與導(dǎo)向?qū)к壪鄬��?yīng)的凹槽，該結(jié)構(gòu)可以保證錘頭的垂直升降，破碎效果更好。錘架包括設(shè)置在錘架兩側(cè)的2個翼錘架，翼錘架和錘架之間是可拆卸式連接，可以針對實際情況裝上或卸下，裝上時作業(yè)的面積和力度更大，多個錘頭在高壓油的作用下沿錘架連續(xù)升降，不斷地沖擊路面，沖擊路面的力度較大，所以比較容易將路面破碎，工作效率高，破碎的質(zhì)量也更高，路面破碎程度完全可以達(dá)到經(jīng)壓實后鋪設(shè)的程度，無需開挖。破碎并壓實后，破碎砼塊組成緊密結(jié)合、內(nèi)部嵌擠、高密度的材料層，可以為路面罩面提供更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2.3利用Pro/E設(shè)計多錘頭破碎機(jī)工作裝置
2. 3.1多錘頭破碎機(jī)工作裝置的三維實體建模
    根據(jù)設(shè)計方案，把多錘頭破碎機(jī)工作裝置的部件分為2類：一類為組焊件，由于這類部件完全由鋼板或型鋼焊接而成，各部分之間無相對位置變動，所以可在Pro/E軟件的零件模塊中以零件的形式創(chuàng)建部件。另一類為組裝件，這類部件需要先制作出組成它的各個零件，然后按照裝配關(guān)系定義其約束或聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行組裝。
2.3.2多錘頭破碎機(jī)工作裝置的虛擬裝配
    創(chuàng)建好多錘頭破碎機(jī)工作裝置的所有部件之后，開始進(jìn)行裝配。裝配前，正確分析各個部件在整機(jī)中的位置、作用以及相關(guān)部件之間的裝配關(guān)系、運(yùn)動關(guān)系，以保證裝配后的整機(jī)定位可靠、運(yùn)動靈活、互不發(fā)生干涉。根據(jù)部件間的相互關(guān)系完成多錘頭破碎機(jī)工作裝置三維實體模型。
2.3.3多錘頭破碎機(jī)工作裝置的運(yùn)動仿真
    多錘頭破碎機(jī)工作裝置的運(yùn)動主要是依靠舉升液壓油缸將重錘勻速舉起，然后油缸泄荷，重錘在重力的作用下做近似的自由落體運(yùn)動。多錘頭破碎機(jī)工作裝置每個錘組的運(yùn)動周期為1.5s，其中上升時間為1s，下落時間為0.5 s。假定舉升高度為1m，則上升的速度為1 m/s，下落的加速度為8 m／s2(因為有摩擦力，油缸回油壓力等阻力的存在)。工作裝置的工作過程分為兩段，是一個分段函數(shù)，Pro/E里自帶的斜坡函數(shù)，正、余函數(shù)，擺線、拋物線、多項式等函數(shù)都無法滿足要求。而采用位置表能夠根據(jù)理論計算確定錘頭任何時刻的位置，能夠比較真實地模擬錘頭工作裝置的運(yùn)動。下面取每個錘組的初始位置為零，每個相鄰的錘組開啟的時間間隔為0.1s，以1#錘組的一個運(yùn)動周期制定位置（如表1所示）。仿真結(jié)果如圖3所示。
    從圖3可以看出：1#錘頭的運(yùn)動曲線與表1相符，1#錘頭在忽略與導(dǎo)向軌道之間摩擦力時其上下運(yùn)動基本上可以看成自由落體，而且錘頭上下運(yùn)動時與周邊的錘頭不存在運(yùn)動干涉，也沒有因為錘頭的上下運(yùn)動而導(dǎo)致錘架大幅度地振動。可見錘頭架結(jié)構(gòu)是一個穩(wěn)固的整體，錘頭架能夠承受錘頭工作時所帶來的沖擊力。圖3中2根近似于光滑的直線，證明錘頭的上下運(yùn)動靈活，設(shè)計方案可行。
2.4實際設(shè)計
    根據(jù)模擬設(shè)計方案進(jìn)行多錘頭破碎機(jī)工作裝置的實際設(shè)計。在實際設(shè)計過程中，考慮到中國公路的狀況，把工作裝置設(shè)計為6對重為600kg的錘頭、兩側(cè)各有一對重為850kg的翼錘。翼錘是可拆卸的，滿足不同的道路需求；錘頭的最大行程是1.1m，破碎高度可根據(jù)不同的路面需求調(diào)節(jié)。考慮到盡量減少重錘下落時能量的損耗，重錘與支撐桿采用帆布帶連接，重錘在下落時才近似自由落體，把最大的能量作用在破碎的路面上。
2.5破碎試驗
    根據(jù)多錘頭破碎機(jī)的工作需求，選擇1 km損壞率達(dá)50%的路面作為破碎試驗路段。經(jīng)檢測，該路面的水泥標(biāo)號為32.5#，路面強(qiáng)度一般。破碎時錘頭下落高度和拉應(yīng)力的關(guān)系見表2。
    破碎后，表層碎石粒徑最大為7mm，中間層最大粒徑為21mm，底層最大粒徑為37mm。從表2可以看出錘頭的沖擊力沒有傳到路基中，對路基的強(qiáng)度沒有造成影響，完全符合碎石化工藝的要求。而且在破碎過程中整機(jī)振動比較小，噪音能滿足城市道路施工要求，預(yù)防碎石飛濺的帷幕起到抑制碎石飛濺的作用，有利于環(huán)保。
3、結(jié)語
    在計算機(jī)上進(jìn)行多錘頭破碎機(jī)工作裝置的三維設(shè)計和模擬運(yùn)動驗證初始設(shè)計方案是可行的。根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行實際設(shè)計和生產(chǎn)，從破碎后碎石層粒徑來看，其破碎效果完全符合碎石化施工要求，而且整機(jī)的運(yùn)行效果能達(dá)到設(shè)計要求。